某型無線電高度表測高不穩(wěn)定故障分析研究

鐘志軍，鄒文，張雪婷

（1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710068；2.國營四達(dá)機(jī)械制造公司，陜西 咸陽 712200）

0 引言

無線電高度表用于測量飛機(jī)距離地面的相對高度，向飛行員提供符合精度要求的穩(wěn)定的高度信息。飛行過程中，無線電高度表無法穩(wěn)定、正確地顯示離地高度，將會給飛行安全帶來巨大隱患。測高過程中有兩種狀態(tài)，一是跟蹤狀態(tài)，在高度表測高范圍內(nèi)，高度表應(yīng)能測量并顯示飛機(jī)距地面或水面的真實高度；二是搜索狀態(tài)，超出高度表的測高范圍或高度表接收機(jī)未檢測到回波信號時，高度表無法給予正常的高度值[1]。在測高范圍內(nèi)，無線電高度表出現(xiàn)高度不連續(xù)且不符合飛行實際高度顯示的現(xiàn)象，即為無線電高度表測高不穩(wěn)。

1 基本情況

某型飛機(jī)接裝和試飛時，空地勤反映飛機(jī)在地面出現(xiàn)高度顯示“FFFF、16 m、23 m、24 m、25 m”、“485 通信故障”，飛行中出現(xiàn)高度顯示“0 m”、“1 m”、“26 m”或“FFFF”等測高不穩(wěn)現(xiàn)象，影響正常飛行任務(wù)。

2 故障統(tǒng)計

根據(jù)廠內(nèi)維修排故情況分析，報“無線電高度表故障”主要是元器件失效引起；報“485通信故障”有2 起是三極管和檢波器失效，其余是電源模塊、電容、保險絲（均為電源電路中的器件）等器件失效引起；空中和地面均顯示“FFFF 故障”主要是離散器件失效或器件調(diào)整不到位引起；地面顯示異常高度為16 m、23 m、24 m、25 m 主要是返廠檢查無故障或器件調(diào)整不到位。

綜合來看，某型無線電高度表故障原因主要有三種：一是電源電路器件失效；二是離散器件失效；三是無故障及器件調(diào)整不到位。其中，因電源電路器件失效25 起，這些器件重復(fù)失效，占比為46%，且故障現(xiàn)象中“地面顯示異常高度為16 m、23 m、24 m、25 m”反復(fù)發(fā)生，占比為6%，以下主要針對這兩種問題進(jìn)行分析。

3 分析與排查

1）電源電路器件失效。某型無線電高度表電源由飛機(jī)提供，通過飛機(jī)低頻電纜進(jìn)入收發(fā)機(jī)后經(jīng)過變壓器、保險絲、橋式整流器、EMI濾波器，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?8 V 電源輸出給電源板，電源隔離板電路圖如圖1 所示。

圖1 電源隔離板電路圖

從電源隔離板輸出的直流28 V 電源輸入電源板后分成三路，經(jīng)電容（C7 ～C10）和電感（L3、L4）濾波后輸入到DC-DC 電源模塊。DC-DC 電源模塊將直流28 V 轉(zhuǎn)換為高度表需要的±12 V、±15 V、+5 V 直流電壓，三路電源模塊輸入端濾波電路相同，其中一路電路圖見圖2，圖中C7、C9 是CAK41 型電容。

圖2 電源板部分電路圖

對故障件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)基本失效的 器 件 有：WR24D12/250A 電 源 模 塊、WR24S5/1200A 電 源 模 塊、WR24D15/200 電源 模塊、QL101T0J 整 流 橋、CD11 型 電 容、CAK41 型電容。對這些器件的質(zhì)量、性能參數(shù)、使用情況逐一進(jìn)行分析。

某型無線電高度表正常工作情況下，交流115 V 經(jīng)變壓整流后，輸出的直流電壓最高為30 V，直流電流為1.8 A。整流橋QL101-10J 的反向電壓為100 V，降額值為0.3，允許的最大電流為8 A，降額值為0.225，根據(jù)GJB/Z 35-93《元器件降額準(zhǔn)則》中要求，二極管的反向電壓降額準(zhǔn)則為0.6 ～0.7，電流降額準(zhǔn)則為0.5 ～0.65[2]，滿足國軍標(biāo)降額值為0.6，CAK41 型電容的耐壓值為63 的要求；CD11型電容的耐壓值為50 V，降額值為0.5，根據(jù)GJB/Z 35-93《元器件降額準(zhǔn)則》中要求，電容的降額準(zhǔn)則為0.5 ～0.7，滿足國軍標(biāo)的要求；WR24D12/250A 電源模塊、WR24S5/1200A 電源模塊、WR24D15/200A 電源模塊的輸入電壓范圍是18 V ～36 V，滿足某型無線電高度表的要求。因此,可以排除器件選擇不當(dāng)引起器件失效問題。

CAK41 型電容的質(zhì)量等級為國軍標(biāo)，WR24D12/250A 電源模塊、WR24S5/1200A 電容為工業(yè)級，而CD11 型電容是鋁電解電容，用于整流濾波電路中，只有工業(yè)級，查閱GJB 181A-2003《飛機(jī)供電特性》，115 V 交流供電系統(tǒng)的瞬態(tài)峰值電壓最大為254.5 V[3]，經(jīng)變壓器變壓后為57.5 V，此電壓可能對電源模塊、電容、整流橋等器件產(chǎn)生一定傷害。某型無線電高度表是上世紀(jì)末設(shè)計的產(chǎn)品，在電路中沒有增加保護(hù)電路，當(dāng)交流115 V 上有瞬間大電壓時，對電源電路中的器件帶來輕微損傷，在長期工作或多次開關(guān)機(jī)后，某個器件會出現(xiàn)短路或擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致電源電路不能正常工作，出現(xiàn)燒保險或報“485 通信故障”問題。

根據(jù)以上分析可知，電源電路中器件失效原因主要在于電源上存在尖峰電壓，電路中沒有形成保護(hù)所導(dǎo)致，此外個別器件的質(zhì)量等級低，可靠性差。

2）地面顯示異常高度。無線電高度表是用來測量并指示飛機(jī)距地面的真實高度，高度表發(fā)射天線向外發(fā)射信號，經(jīng)地面反射后回到接收天線。通過天線發(fā)射出的信號在大氣中傳輸，傳輸中的損耗為自由空間損耗，無線電波自由空間損耗的計算公式如下[4]：

式中，L為發(fā)射信號外部空間損耗；G為天線增益系數(shù)，取14 dB；X 為射頻信號波長，取0.07 m；σo(0)為面反射系數(shù)，取-15 dB；H為無線電波的垂直傳輸距離。

根據(jù)上述參數(shù)計算某型無線電高度表發(fā)射信號外部空間損耗，可得：Lf=41.8+20lgH

飛機(jī)停在地面時，空間損耗約為41.8 dB，裝機(jī)電纜總長約12.6 m，通過計算，電纜衰減為8 dB，至收發(fā)機(jī)口的總衰減約為49.8 dB。

通過測試故障件零高度狀態(tài)，當(dāng)外回路衰減為50 dB 時，混頻器WHB2006 輸出的差拍信號變?yōu)榉讲ǎ藭r高度表有時會跟蹤20 m左右高度，當(dāng)緩慢增大衰減，外回路衰減為63 dB 時，混頻器WHB2006 輸出的差拍信號為正弦波，此時高度表可以穩(wěn)定跟蹤1 m 高度。由于某型無線電高度表在最初設(shè)計時，測量高度為80 m ～15 000 m，并未考慮零高度情況，存在設(shè)計不充足現(xiàn)象，飛機(jī)停在地面有強(qiáng)反射信號，混頻器輸出的差拍信號波形失真，導(dǎo)致報錯。

4 改進(jìn)措施

改進(jìn)措施一：由上述分析可知，電源電路中器件失效主要是由于電源上存在尖峰電壓，且電路中沒有保護(hù)導(dǎo)致，因此需要在變壓器前增加瞬態(tài)抑制二極管保護(hù)后續(xù)器件。此外，整流橋QL101-10J 的質(zhì)量等級較低，需要選用高等級的器件進(jìn)行替代。考慮在電路中增加保護(hù)電路—瞬態(tài)抑制二極管5KP220CA；選用四個高等級整流二極管BZ5G 替代整流橋QL101-10J。

改進(jìn)措施二：某型無線電高度表地面出現(xiàn)異常高度是由于飛機(jī)停在地面有強(qiáng)反射信號，混頻器輸出的差拍信號波形失真導(dǎo)致，需要降低混頻器WHB2006 輸出的差拍信號幅度來解決。在混頻器WHB2006 內(nèi)部有放大電路，經(jīng)分析，將差拍信號幅度減小3.7 倍，靈敏度降低11 dB，即可解決地面顯示異常高度問題。

改進(jìn)措施三：在后續(xù)生產(chǎn)、檢驗中，加強(qiáng)操作人員的質(zhì)量意識，嚴(yán)格執(zhí)行混頻器后級設(shè)差拍信號放大電路產(chǎn)品的自檢、互檢及檢驗驗收要求，仔細(xì)檢查緊固件的緊固情況。另外，產(chǎn)品調(diào)試后，操作人員和檢驗人員對產(chǎn)品進(jìn)行檢查整理時，也應(yīng)加強(qiáng)緊固件的檢查，防止后續(xù)類似問題出現(xiàn)。

5 結(jié)語

通過該型無線電高度表測高不穩(wěn)定故障的研究和故障排除，初步掌握了同類型故障的分析方法、排故流程和修理調(diào)試等方法，減少了同類重復(fù)性故障的發(fā)生，為同類故障修理及排故積累一定的經(jīng)驗。